Classificazione delle reti wireless

• Wireless nelle reti di sorveglianza e

• Wireless nelle reti di comunicazione– Infrastrutture di base per assicurare la connettività

– Comunicazioni persona-persona (P2P), persona-macchina (P2M) e macchina-macchina (M2M)

– Flessibilità di impiego nelle reti di trasporto e nelle reti di accesso

– Rapida riconfigurazione delle connessioni

– Scalabilità delle reti e del traffico

1

• Wireless nelle reti di sorveglianza e controllo– Ancora poco diffuse ma numerose

applicazioni nel futuro (automazione delle attività umane, del controllo a distanza dei processi e dei sistemi, della supervisione dell’ambiente,…)

– Largamente basate sulla connessione in rete tra sensori e sul collegamento tra questi e centri di controllo dedicati

– I tempi della diffusione su larga scala dipendono dall’avvento delle tecnologie pervasive (“Internet of things”)

Concetto di “spazio individuale”

Classificazione delle reti wireless• Low data rate, LDR

– Applicazioni per il controllo remoto, per la localizzazione e per l’identificazione

– Velocità fino a qualche centinaio di kbit/s

• Medium data rate, MDR

– Applicazioni di cable replacement

– Velocità fino a qualche Mbit/s

• High data rate, HDR

2

Collocazione dei sistemi nel piano banda-distanza

• High data rate, HDR

– Integrazione o sostituzione della rete locale (Ethernet) cablata

– Velocità anche oltre 10 Mbit/s

• Very high data rate, VHDR

– Distribuzione di video ed audio ad alta qualità (broadcastingHDTV)

– Velocità fino a 100 Mbit/s

Classificazione delle reti wireless

Reti wireless WAN MAN LAN PAN BAN

Applicazione Reti cellulari Reti di trasporto e

backbone per le reti

cellulari

Reti interne agli

edifici

Rimpiazzo dei

cavetti e piccole reti

Reti di

dispositivi

d’utente

Distanza/ Anche Fino a qualche Fino al centinaio Fino ad alcuni metri Centimetri o

3

Distanza/

Copertura

Anche

centinaia

di km

Fino a qualche

decina di km

Fino al centinaio

di metri

Fino ad alcuni metri Centimetri o

meno

Larghezza di

banda

Dai kbit/s ai

Mbit/s

Dai Mbit/s alle decine

di Mbit/s

Decine di Mbit/s Da centinaia di

kbit/s ai Mbit/s

Fino a qualche

Mbit/s

Esempi di

sistemi

standardizzati

GSM/UMTS WiMAX Wi-Fi Bluetooth Non disponibili

Sistema Wi-Fi

INTERNET

• Standard Wi-Fi (famiglie IEEE 802.11)

• Prolungamento wireless della LAN di ufficio e successivamente per servizi a banda larga

• Impiego in varie bande: es. banda 2,4 GHz (ISM, ossia priva di licenza) e 5 GHz

• Bit rate fino a 11 Mbit/s e fino a 54 Mbit/s (limiti teorici)

4

APA APB

TB1TA1

TA2 Rete ad-hoc

Rete infrastrutturata

SISTEMA DI DISTRIBUZIONE

BSS-A

BSS-B

BSS-C

TC1

TC2

TB2

INTERNET

Legenda:

BSS: basic

service set

AP: access point

T: terminale

Sistema WiFi

Wi-Fi

Std. IEEE802.11b/g 802.11a

Banda di frequenza (GHz) 2,4 – 2,4835 5,150-5,250 e 5,470-5,725

Larghezza del canale 20 MHz (Parz. Sovrap.) 20 MHz (non sovrap.)

Numero di canali 13 19

Caratteristiche tecniche dello standard

5

Numero di canali 13 19

Duplex TDD

Accesso multiplo CSMA/CA

Modulazione DSSS/OFDM OFDM

Qualità di servizio No

Mobilità No

Copertura radio (indoor) Fino a 100 m

Potenza max (dBm) 20 30

Ritmo binario (Mbit/s) 11 (std. “b”) / 54 (std. “g”) 54

Standard wireless in ambito ETSI

• HiperLAN1/2– Accesso a corto raggio via radio a reti locali cablate Ethernet, ai protocolli IP e ATM,

e al sistema radiomobile UMTS

– Frequenza di trasmissione 5 GHz con valore massimo di ritmo binario di 54 Mbit/s

• HiperACCESS– Per interconnessioni fisse PMP

– Frequenze superiori a 11 GHz con velocità di trasmissione fino a 120 Mbit/s

6

Un’architettura di riferimento

• HiperMAN– Accesso a larga banda ad utenza fissa

mediante soluzioni wireless

– Compatibile con lo standard WiMAX per le

applicazioni MAN

– Frequenze inferiori a 11 GHz

Standard wireless in

ambito ETSI

Hiper* Servizio Vel.(Mbit/s)

Freq (GHz)

Dist. Mod. Accesso Commenti

*LAN/1 Comunicaz. tra

terminali portatili 20 5 50 m

FSK,

GMSK

EY-NPMA

(garantisce

poche coll)

- Rete flessibile senza struttura

cablata

- servizi multimediali

*LAN/2 Comunicaz. in

uffici, scuole, hot-

spot54 5 100m

BPSK,

QPSK,

16QAM,

64QAM

TDMA

- Garanzia di QoS

- interconnessione con reti IP,

ATM, UMTS

7

64QAM

*ACCESS Accesso PMP

(traffico tra edifici

stessa azienda)120 26, 28,

32, 48

Grandi

dist.

TDD, FDD,

H-FDD con

canali di 28

MHz

- Alternativa alla xDSL

- Rapida installazione

- Meccanismi di sicurezza

*MAN Accesso wireless a

larga banda 63

2 – 11

(princ.

3,5)

2-4km

(NLOS)

<10km

(LOS)

OFDM

- Garanzia di QoS

- Categorie di serv.

- Meccanismi di sicurezza

- Configurazione Mesh

Caratteristiche tecniche della famiglia degli standard HiperLAN

POP

Anello in fibra

SRB

Sistema WiMAX

• Accesso wireless a larga banda per

l’ultimo miglio

• Vantaggi:

– Costi ridotti

– Flessibilità nell’erogazione del

Caratteristiche del sistema:

8

{ {

Accesso (punto-multipunto)

Backhaul(punto-punto)

in fibra

CPE

– Flessibilità nell’erogazione del

servizio

– Rapidità di installazione

• Architetture: punto-multipunto

(PMP), a maglia (Mesh)

Configurazione di sistema WiMAX con architettura PMP

Legenda:

POP: Point of Presence

SRB: Stazione Radio Base

CPE: Customer Premises Equipment

Sistema WiMAX

WiMAX IEEE 802.16-2004 IEEE802.16-2005

Num. profili 5 1

Bande freq. “licensed”, da 2 a 11 GHz “licensed”, 2 - 6 GHz

Canale/MHz 1,75 ; 3,5 ; 7,0 ; 10,0 ; 20,0 1,25 ; 5,0 ; 10,0 ; 20,0

Duplex FDD/TDD FDD/TDD

Accesso multiplo TDMA, OFDMA TDMA, SOFDMA

Caratteristiche tecniche dello standard

9

Tecn. trasm. OFDM (256 sottoportanti) SOFDMA (512, 1024 sottoport.)

Mod./cod.AMC (Mod.: QPSK, 16-QAM, 64-QAM

Cod.: diversi rate n/k)

QoS Sì Sì

Mobilità No Sì

Copertura radio Fino a 10 km Fino a 10 km

Throughput

Max teorico: 20 Mbit/s (LOS e canale di

10 MHz)

Fino a 50 Mbit/s (Fino a circa 1

km, velocità max 60 km/h)4 Mbit/s fino a 5-6 km (LOS e canale di

3,5 MHz)

1 Mbit/s fino a 1 km (NLOS)

Sistema GSM

• Standard cellulare

numerico di

2a generazione

• Voce, dati a basso

ritmo, SMS

10

ritmo, SMS

• Con GPRS, dati

fino a 144 kbit/s;

• Oltre 2 miliardi di

utenti sparsi in

tutti i continenti

Sistema UMTS

• Standard di 3a generazione basato sulla tecnica cellulare

• Servizi multimediali (voce, dati, video, etc.)

• Bit rate: da poche decine di kbit/s fino a qualche centinaio di kbit/s (indoor)

• 4 classi di servizio per la QoS (dal best effort a qualità garantita)

HLR

NODE B UTRAN

HLR

NODE B UTRAN

11

U-MSC

U-SGSN

VLR

ACCESS NETWORK

RNC

NODE B UTRAN

NODE B

NODE B

CORE NETWORK

RNC

NODE B

UTRAN

NODE B

U-GGSN

PSTN/ISDN

Packet

networks

Iu

CS

Iu

PS

Iu

CS

Iu

PS

Iub

Iub

Iub

Iub

Iub

Gs

Gn

uU

UE

urI

U-GMSCU-MSCU-MSC

U-SGSN

VLRVLR

ACCESS NETWORK

RNC

NODE B UTRAN

NODE B

NODE B

CORE NETWORK

RNC

NODE B

UTRAN

NODE B

U-GGSNU-GGSN

PSTN/ISDNPSTN/ISDN

Packet

networks

Iu

CSI

u

CS

Iu

PSI

u

PS

Iu

CSI

u

CS

Iu

PSI

u

PS

Iub

Iub

IubIub

IubIub

IubIub

Gs

Gs

Gn

Gn

uUuU

UE

urI

U-GMSC

Sistema UMTS

Evoluzione del sistema UMTS: HSxPA (High Speed “x” Packet

Access)

• HSDPA operativo prima, HSUPA dopo

• Per HSDPA:

– Velocità aggregata in downlink di 5,4 Mbit/s, con valori di bit-rate per il

singolo utente tra 800 kbit/s e 3 Mbit/s e con un picco di 14,4 Mbit/s

12

singolo utente tra 800 kbit/s e 3 Mbit/s e con un picco di 14,4 Mbit/s

– Nuovi servizi di trasmissione dati a pacchetto asimmetrici ad alta velocità

(simile a DSL delle reti fisse), tra cui i servizi di streaming audio/video, i

servizi interattivi e i servizi FTP/email

• HSUPA supporta 1,4 Mbit/s e 5,8Mbit/s di picco

• Vantaggi: aumento della larghezza di banda a disposizione e

riduzione dei tempi di latenza

Legenda:

x = D (downlink, cioè dalla stazione fissa al terminale)

oppure

x= U (uplink, cioè dal terminale alla stazione fissa)

Sistema UMTS

“Femtocelle”: Piccole stazioni radio per l’interfaccia con le reti

broadband (xDSL/cable modem) in ambienti indoor

Vantaggi:

• migliore copertura indoor

• altissima capacità

• tariffazione “fissa” a casa

13

Copertura “macro/micro” Copertura “femto”

Femto BTS

(dimensioni di AP WiFi)

• tariffazione “fissa” a casa

• unico terminale (no “dual-mode”)

Caratteristiche dell’interfaccia radio e accesso al mezzo In

terfaccia

rad

io

Uplink

(tratta in salita)Downlink

(tratta in discesa)

Area di copertura

• Copertura con singola stazione radio base

– Collegamenti diretti tra coppie di terminali mobili esclusi perché richiederebbero livelli di potenza non compatibili con dimensioni contenute degli apparati portatili e prolungata autonomia delle batterie

– Reti radiomobili pubbliche: architetture dotate di infrastruttura; alla stazione radio base demandati i compiti della copertura radio di una regione di servizio elementare e interconnessione con gli organi di rete.

14

Reti di

telecomunicazione

Stazione

radiobaseTerminale mobile

Interfa

ccia ra

dio

Nu

cleo d

i rete

Copertura di una stazione radiobase e comunicazione in

up-link e in down-link con terminali mobili

interconnessione con gli organi di rete.

– Copertura elementare di una SRB detta cella; la configurazione impiegata per i sistemi radiomobili commerciali detta configurazione cellulare

– Due sottosistemi: interfaccia radio e nucleo di rete– tratta in salita (o di up-link) per le

comunicazioni dai TM alla SRB

– tratta in discesa (o di down-link) per le comunicazioni in senso opposto (frequenze differenti)

Caratteristiche dell’interfaccia radio e accesso al mezzo

• Copertura con SRB multiple: architettura di riferimento radiomobile

– Architettura di rete del sistema radiomobile: distingue interfaccia radio e nucleo di rete

– Organi di rete in ordine gerarchicamente crescente: terminale mobile (TM), stazione radio

base (SRB), controllore di stazione radio base (CSRB), centro di commutazione di rete

radiomobile (CCRR)

SRB

15

SRB

CSRB

CSRB

Centro di

commutazione di

rete radiomobile

(CCRR)

Rete

Interfaccia radio

Nucleo di reteStazione

radio base

(SRB)

TM

Terminale

mobile

(TM)

Propagazione nelle reti mobili

• Ponti radiomobili: un modello più appropriato tiene almeno

conto della riflessione del terreno, in tutti i casi in cui sia piccola

la quota a cui è collocato almeno uno dei due terminali

(l’attenuazione varia con la quarta potenza di d)

• Ambienti della propagazione radiomobile

– ambienti dotati di caratteristiche molto varie

– forte scostamento dalle leggi della propagazione in spazio libero

– ruolo predominante assunto da fenomeni che nei ponti radio tra punti fissi sono controllati

16

(l’attenuazione varia con la quarta potenza di d)

• Inapplicabilità degli approcci deterministici a causa della

complessa combinazione degli effetti della propagazione reale

• Meccanismi che regolano la propagazione delle onde e.m.:

– Riflessione (speculare), R: ostacoli con dimensioni caratteristiche

molto maggiori di λ (ad es., pareti degli edifici); vale la legge di Snell,

– Diffusione (o “scattering”), S: ostacoli con dimensioni comparabili o

minori di λ (ad es., vegetazione)

– Diffrazione, D: percorso radio tra emettitore e ricevitore ostruito da

ostacoli (ad es. spigoli); assenza di percorso in linea di vista (non line of

sight, NLOS); si può applicare la GTD (geometrical theory of diffraction).

I tre meccanismi di propagazione

presenti nel canale radiomobile

Propagazione nelle reti mobili

• Canale radiomobile negli spazi esterni (outdoors)

– fondamentale importanza nello studio sia delle tecniche PHY, modulazione e codifica, che delle tecniche

MAC (accesso multiplo)

– mezzo radio intrinsecamente un mezzo broadcast nel quale, almeno in linea di principio, “tutti ascoltano

tutti”

• Trasmissioni multiple simultanee producono

interferenze e degradazione delle comunicazioni– Le prestazioni del MAC in un mezzo broadcast dipendono

essenzialmente dalle tecniche di accesso multiplo al canale.

• In aree urbane a densa edificazione spesso non è

17

• In aree urbane a densa edificazione spesso non è

presente il cammino radio diretto (NLOS) – Connessione tramite cammini multipli (multipath), e

fluttuazione casuale marcata del livello istantaneo di potenza

• Studio del canale radiomobile basato su modelli

di propagazione che cercano di predire il valore

mediano (superato nel 50% del tempo e dei

luoghi) della potenza del segnale ricevuto in

funzione di distanza, frequenza e numerosi altri

parametri (modelli su larga scala)

Potenza ricevuta da un terminale mobile in funzione del tempo e della

distanza tra trasmettitore e ricevitore (velocità radiale costante)

Propagazione nelle reti mobili

• Movimento su distanze piccole (fino a

qualche decina di λ): la potenza del segnale

fluttua rapidamente; modelli di

propagazione con validità locale, o modelli

su piccola scala.

– La fluttuazione rapida è determinata dalla somma

vettoriale dei campi riflessi, diffratti e diretto, se

presente.

– La potenza istantanea ricevuta può fluttuare molto

18

– La potenza istantanea ricevuta può fluttuare molto

(anche oltre 20 dB) con spostamenti di piccola

entità

• Movimento lungo un percorso più esteso

(qualche centinaio di λ): lenta fluttuazione

aleatoria della potenza media ricevuta,

intesa come valor medio della potenza

istantanea (potenza media locale), effetto

macroscopico globale della propagazione

connesso al graduale mutamento delle

condizioni degli ostacoli nell’area locale,

detto ombreggiamento (o shadowing)

Principio dello “shadowing”

DCBA

Accesso multiplo e multiplazione• L’accesso multiplo (“multiple

access”) si riferisce allo sfruttamento

regolamentato di una risorsa

comune da parte di diversi

utilizzatori distribuiti in differenti

luoghi nello spazio (ad es. FDMA,

TDMA, CDMA)

• La multiplazione (“multiplexing”) si

riferisce ad una combinazione

19

riferisce ad una combinazione

regolamentata di diversi segnali

centralizzati in uno stesso luogo

nello spazio (ad es. FDM, TDM,

CDM)

• Esempi di sistemi che usano accesso

multiplo e multiplazione:

- sistemi via satellite

- sistemi radiomobili(accesso multiplo nella tratta in salita e

multiplazione nella tratta in discesa)

• Tratta in salita: in questo caso si parla di metodi di accesso multiplo (molti a uno) – La gestionedei canali può avvenire in modo coordinato o non coordinato

• Tratta in discesa: in questo caso si parla di metodi di multiplazione (uno a molti). - La gestione dei canali è di solito coordinata dalla stazione radiobase (SRB)

Accesso multiplo: classificazione

• Accesso multiplo in modo coordinato (si evitano le contese tra terminali nell’accesso alla risorsa), tecniche prive di contesa (“contention free”):

– accesso multiplo nel dominio della

Privo di contesaA contesa

20

Classificazione delle tecniche di accesso

multiplo in relazione al grado di contesa

– accesso multiplo nel dominio della

frequenza (canali in frequenza) o FDMA (Frequency Division Multiple Access)

– accesso multiplo nel dominio del tempo (canali in tempo) o TDMA (TimeDivision Multiple Access)

– Separazione tramite codici o CDMA (Code Division Multiple Access)

• Accesso a contesa– determina interferenza

Accesso casualePrenotazione e

risoluzione dei conflitti

Rivelazione di

portante

(carriersensing)

CSMA, etc.

Uso di pacchetti di

controllo

Pacchetti di controllo

e

Tecniche di accesso multiplo

• In ciascuna area di servizio elementare (cella) il terminale accede alla risorsa

(stazione radio base) secondo una disciplina nel dominio del tempo

TDMA: a ciascun canale è attribuita una diversa finestra temporale

Formulazione

Accesso multiplo a divisione di tempo:

21

CODICE

TEMPO

CANALE 1

CANALE 2

CANALE 3

CANALE n

FREQUENZA

( )

( )

0)()(

,coppiaogniper0

allora0se

=⇒

=

≠

∫∞+

∞−

dttsts

jits

ts

ji

j

i

Lo slot temporale rappresenta un CANALE

Formulazione analitica

Tecniche di accesso multiplo

• Trama (“frame”): elemento ciclico nella struttura di segnale (preambolo; messaggi; coda)

• Messaggi: composti di finestre che contengono i “payload” d’utente

• Finestra (“slot”): bit di sincronizzazione, dati di informazione, tempi di guardia

TRAMA TDMA (TT)

Struttura di segnale TDMA

22

Struttura di trama TDMA

PREAMBOLO MESSAGGIOBIT DI CODA

(se previsti)

FINESTRA nFINESTRA 3FINESTRA 1 FINESTRA 2

BIT DI TESTA BIT DI SINCRONISMO DATI DI INFORMAZIONE

(“PAYLOAD”)

TEMPO DI

GUARDIA

• In ciascuna area di servizio elementare (cella) il terminale accede alla risorsa

(stazione radio base) secondo una disciplina nel dominio della frequenza

Tecniche di accesso multiplo

FDMA: a ciascun canale è attribuita una

diversa banda di frequenza

CODICE

( )

( ) ,coppiaogniper0

allora0se

=

≠

jifS

fS

j

i

Formulazione analitica

Accesso multiplo a divisione di frequenza

23

(1)

TEMPO

FREQUENZA

CA

NA

LE 1

CA

NA

LE 2

CA

NA

LE 3

CA

NA

LE n

Il CANALE viene identificato dalla sottobanda allocata

0)()(

)()()()( *

=⇒

=

∫

∫∫∞+

∞−

+∞

∞−

+∞

∞−

dttsts

dtfSfSdttsts

ji

jiji

( )

0)()(

,coppiaogniper0

* =⇒

=

∫∞+

∞−

dtfSfS

jifS

ji

j

teorema di Parseval:

f

|Si(f)| |Sj(f)|

Tecniche di accesso multiplo

( ) ( ) 0e0generalein ≠≠ tsts ji

Formulazione analitica (caso ortogonale)

Accesso multiplo a divisione di codice

• In ciascuna area di servizio elementare (cella) il terminale accede alla risorsa

(stazione radio base) secondo una disciplina nel dominio del codice – CDMA

CODICE

24

( ) ( )

( ) ( )

0)()(

che modoin scelti,ma

,coppiaogniper

0e0generalein

=⇒

≠≠

∫∞+

∞−

dttsts

tsts

ji

tsts

ji

ji

ji

CDMA: ciascun CANALE viene identificato attraverso un codice solitamente rappresentato con una sequenza pseudocasuale (PN)

TEMPO

FREQUENZA

CANALE n

CANALE 1

CANALE 2

CANALE 3

Tecniche di accesso multiploTECNICHE DI BASE

DIVISIONE DI FREQUENZA

(FDMA)

DIVISIONE DI

FREQUENZA/CODICE

(FD/CDMA)

DIVISIONE DI

FREQUENZA/TEMPO

(FD/TDMA)

Tecniche pure e ibride:

25

DIVISIONE DI TEMPO

(TDMA)

DIVISIONE DI CODICE

(CDMA)

TEMPO

TRAMA

BANDA (DI SISTEMA)

FR

EQ

UE

NZ

A

DIVISIONE DI

TEMPO/CODICE

(TD/CDMA)

(FD/TDMA)

DIVISIONE DI

FREQUENZA/TEMPO/CODICE

(FD/TD/CDMA)

Nelle tecniche ibride un CANALE può essere ad esempio identificato da:• uno slot temporale e da una portante (TDMA/FDMA)• da un codice e da una portante (CDMA/FDMA)

Concetto cellulare per le reti

infrastrutturate

Soluzioni per la realizzazione della copertura radio in un’area di servizio:

26

Domini radiali disgiunti Copertura cellulare

Concetto cellulare per le reti infrastrutturate

1 ) “FREQUENCY REUSE” – Riuso di frequenza

Area di servizio: AAAAS

Celle

A1 e A2

D1 e D2

regioni che riusano

lo stesso insieme di

frequenze}

A1 B1C1

27

frequenze

m

n

B

BnF cellcellcell

R =

⋅=

cellB

Bm =e

Esempio caso in figura: 9

11=RF

(1)

(2)

Legenda:

FR: fattore di riuso nell’area di servizio

ncell: numero di celle nell’area di servizio

B: banda assegnata al servizio (uplink o downlink)

Bcell: banda per cella

“cluster size”

A2F1E1D1

G1 H1I1

D2

Concetto cellulare per le reti infrastrutturate

2) “CELL SPLITTING” – Suddivisione delle celle

H3 I3

B6 C6

B8 C8

E8 F8

A3 B3

D3 E3

C3 A4

F3D4

G8 H8

A7 B7

I8G3

C7 A6

G4H4

A5B5

DE

A1 B1C1

A2E1D1

H3 I3

B6 C6

28

∞→∞→ ∞)( allora , Se R

Fncell

9

14)1( =RF)0()2( 4

9

44RR FF ⋅==

sA

FR

R=Φ Fattore di riuso per km2

sA

ncell

cell=υ Numero di celle per km2

} ∞→

B7 C7 A6

D7E7 F7

G7 H7I7

D6 E6 F6

G6 H6 I6

D5E5

G5

H5G1 H1

I1

D2

B6 C6